В новых результатах, опубликованных в журнале Physical Review Letters, исследователи предположили, что электромагнитные волны генерируются не только из-за ускорения электронов, но и из-за явления, известного как нарушение симметрии. Помимо последствий для беспроводной связи, это открытие может помочь выявить точки, в которых теории классического электромагнетизма и квантовой механики пересекаются.
Явление излучения из-за ускорения электронов, впервые обнаруженное более века назад, не имеет аналогов в квантовой механике, где предполагается, что электроны перепрыгивают из состояний с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией.
Эти новые наблюдения излучения, возникающего в результате нарушения симметрии электрического поля, могут обеспечить некоторую связь между двумя полями.
Назначение любой антенны, будь то башня связи или мобильный телефон, — запускать энергию в свободное пространство в форме электромагнитных или радиоволн и собирать энергию из свободного пространства для подачи в устройство. Однако одна из самых больших проблем современной электроники заключается в том, что антенны все еще довольно большие и несовместимы с электронными схемами, которые сверхмаленькие и все время становятся меньше.
«Антенны, или антенны, являются одним из ограничивающих факторов при попытках создания все меньших и меньших систем, поскольку потери меньше определенного размера становятся слишком большими», — сказал профессор Гехан Амаратунга из Кембриджского инженерного факультета, руководивший исследованием. "Размер антенны определяется длиной волны, связанной с частотой передачи приложения, и в большинстве случаев это вопрос поиска компромисса между размером антенны и характеристиками, необходимыми для этого приложения."
Еще одна проблема с антеннами заключается в том, что некоторые физические переменные, связанные с излучением энергии, недостаточно изучены. Например, до сих пор нет четко определенной математической модели, относящейся к работе практической антенны. Большая часть того, что мы знаем об электромагнитном излучении, исходит из теорий, впервые предложенных Джеймсом Клерком Максвеллом в 19 веке, которые утверждают, что электромагнитное излучение создается за счет ускорения электронов.
Однако эта теория становится проблематичной, когда речь идет об излучении радиоволн из твердого диэлектрика, материала, который обычно действует как изолятор, а это означает, что электроны не могут свободно перемещаться.
Несмотря на это, диэлектрические резонаторы уже используются в качестве антенн в мобильных телефонах, например.
«В диэлектрических антеннах среда имеет высокую диэлектрическую проницаемость, а это означает, что скорость радиоволны уменьшается по мере того, как она входит в среду», — сказал доктор Дхирадж Синха, ведущий автор статьи. "Что не было известно, так это то, как диэлектрическая среда вызывает излучение электромагнитных волн.
Эта загадка озадачивала ученых и инженеров более 60 лет."
Работая с исследователями из Национальной физической лаборатории и кембриджской компании по производству диэлектрических антенн Antenova Ltd, команда из Кембриджа использовала тонкие пленки из пьезоэлектрических материалов, типа изолятора, который деформируется или вибрирует при приложении напряжения.
Они обнаружили, что на определенной частоте эти материалы становятся не только эффективными резонаторами, но и эффективными излучателями, а это означает, что их можно использовать в качестве антенн.
Исследователи определили, что причина этого явления связана с нарушением симметрии электрического поля, связанным с ускорением электронов. В физике симметрия — это указание на постоянную особенность определенного аспекта в данной системе.
Когда электронные заряды не движутся, существует симметрия электрического поля.
Нарушение симметрии также может применяться в таких случаях, как пара параллельных проводов, в которых электроны могут быть ускорены путем приложения осциллирующего электрического поля. «В антеннах симметрия электрического поля нарушена« явно », что приводит к образцу линий электрического поля, исходящих от передатчика, например, в двухпроводной системе, в которой параллельная геометрия« нарушена », — сказал Синха.
Исследователи обнаружили, что при асимметричном возбуждении тонких пьезоэлектрических пленок аналогичным образом нарушается симметрия системы, что приводит к соответствующему нарушению симметрии электрического поля и генерации электромагнитного излучения.
Электромагнитное излучение, испускаемое диэлектрическими материалами, связано с ускорением электронов на прикрепленных к ним металлических электродах, как предсказывал Максвелл, в сочетании с явным нарушением симметрии электрического поля.
«Если вы хотите использовать эти материалы для передачи энергии, вы должны нарушить симметрию, а также иметь ускоряющиеся электроны — это недостающая часть головоломки электромагнитной теории», — сказал Амаратунга. «Я не предлагаю, чтобы мы разработали некую великую единую теорию, но эти результаты помогут понять, как электромагнетизм и квантовая механика пересекаются и объединяются.
Это открывает целый набор возможностей для изучения."
Будущие приложения для этого открытия важны не только для мобильных технологий, которые мы используем каждый день, но также будут способствовать развитию и внедрению Интернета вещей: повсеместных вычислений, где почти все в наших домах и офисах, от тостеров до термостатов. , подключен к Интернету. Для этих приложений требуются миллиарды устройств, и возможность разместить сверхмалую антенну на электронном чипе станет огромным шагом вперед.
Пьезоэлектрические материалы могут быть изготовлены в виде тонких пленок с использованием таких материалов, как ниобат лития, нитрид галлия и арсенид галлия. Усилители и фильтры на основе арсенида галлия уже доступны на рынке, и это новое открытие открывает новые способы интеграции антенн на микросхеме вместе с другими компонентами.
«На самом деле это очень простая вещь, когда вы все сводите», — сказал Синха. «Мы совершили настоящий прорыв в области приложений, получив понимание того, как работают эти устройства."